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作者:涂超恒(2010-08-25);推薦:徐業良(2010-08-26)
附註:本文為九十八學年度元智大學機械工程研究所涂超恒碩士論文「智慧型機器人輪椅之史都華平台座椅機構設計研究背景與目的」第五章。

第五章 結論與未來工作

5.1 結論

智慧型機器人輪椅整合了行動載具、感知與控制系統以及資通訊系統,提供輪椅使用者獨立行動、生活休閒、與健康照護三種類型功能。在座椅機構設計上,智慧型機器人輪椅主要需求是輕量化和多調整自由度,可作多種姿態變換,如垂直高度調整、前後翻滾調整、與左右橫移調整,以協助使用者起身、如廁和上床等,提升自主生活能力與生活品質。

史都華平台是一結構剛性高、可調整自由度多、且線性致動器同時是結構件亦是機構件(輕量化)之工作平台,平台的可動板在工作空間有6個可操控之自由度,藉由使用者操控升降起伏、左右橫移和前後翻滾三個自由度可完成垂直高度調整、左右橫移調整和前後翻滾調整。本研究以史都華平台為設計概念,應用於智慧型機器人輪椅座椅機構設計,考量座椅調整自由度需求以及六軸史都華平台應用於機器人輪椅座椅機構上重量與用電量問題,將線性致動器數量減為4支。

本研究所建置之四軸史都華平台座椅機構是為應用於智慧型機器人輪椅座椅機構設計,實際完成智慧型機器人輪椅座椅機構實體原型(如圖5-1)。史都華平台以逆向運動學方式操控可動板在工作空間內移動,雖然可動板能順利完成欲達到之位置及方向,但此種控制方式不適用於智慧型機器人輪椅座椅機構之座墊調整操作,且可動板作動過程中常常出現不平順之現象。機器人輪椅座椅機構之座墊做調整動作時,座墊應移動於平順之路徑,本研究於第三章建立控制六軸史都華平台之技術,即是為了熟悉如何應用同步控制的概念,來解決移動過程不平順之問題,並於第四章分析並規劃出四軸史都華平台座椅機構之座墊有效工作空間,在座墊有效工作空間規劃座墊移動之路徑,並且應用同步控制概念於路徑規劃中,使座墊每次移動皆移動於平順且唯一之路徑,確保安全性以及穩定性;在使用者操控方面,亦加入座墊操控規則於控制程式中,避免使用者錯誤的操控方式,造成座墊移動時不平順或出現不合理之現象。

C:\Users\Sam\Desktop\惠蓀會議\photo\new2.JPG

5-1. 智慧型機器人輪椅座椅機構實體原型

完成智慧型機器人輪椅之四軸史都華平台座椅機構原型,本研究接著進行硬體功能初步測試,選擇了工作空間中40個不同位置,反覆測試輪椅座椅機構原型在無負載的狀況下,座椅機構是否能順利達成所有預設調整功能,且確實到達所設定之位置,如無確實到達,紀錄距離的誤差值,同時並且檢視座墊在移動過程中是否發生不合理之狀態。

5-1為初步測試結果。系統重新啟動後,座墊確實自動移動至所設定之初始位置,從初始位置(0, 0, 0)開始作動,測量垂直高度調整過程中,每次調整之距離為20mm,測量完畢後,誤差值均在0~1mm,移動過程中並沒有發生不合理之狀態;測量左右橫移調整過程中,每次調整之距離為20mm,測量完畢後,誤差值均在0~1mm,移動過程中座墊會些微轉動(左右平擺之自由度尚未完全限制住)。

5-1 座椅機構初步測試之誤差表

垂直高度調整

 

第一次測試

第二次測試

(0, 0, 0)移動至(0, 0, 20)

0

0

(0, 0, 20)移動至(0, 0, 40)

0

0

(0, 0, 40)移動至(0, 0, 60)

1

0

(0, 0, 60)移動至(0, 0, 65)

0

1

(0, 0, 0)移動至(0, 0, -20)

0

0

(0, 0, -20)移動至(0, 0, -40)

0

0

(0, 0, -40)移動至(0, 0, -60)

0

0

(0, 0, -60)移動至(0, 0, -65)

0

0

左右橫移調整

 

第一次測試

第二次測試

(0, 0, 0)移動至(0, 20, 0)

0

0

(0, 20, 0)移動至(0, 40, 0)

0

0

(0, 40, 0)移動至(0, 60, 0)

0

0

(0, 60, 0)移動至(0, 80, 0)

0

0

(0, 80, 0)移動至(0, 100, 0)

1

1

(0, 100, 0)移動至(0, 120, 0)

0

0

(0, 0, 0)移動至(0, -20, 0)

0

0

(0, -20, 0)移動至(0, -40, 0)

0

0

(0, -40, 0)移動至(0, -60, 0)

0

1

(0, -60, 0)移動至(0, -80, 0)

0

0

(0, -80, 0)移動至(0, -100, 0)

0

0

(0, -100, 0)移動至(0, -120, 0)

0

0

(-10, 0, 20)移動至(-10, 20, 20)

0

0

(-10, 20, 20)移動至(-10, 40, 20)

1

0

(-10, 40, 20)移動至(-10, 60, 20)

0

0

(-10, 60, 20)移動至(-10, 80, 20)

0

0

(-10, 80, 20)移動至(-10, 100, 20)

0

1

(-10, 0, 20)移動至(-10, -20, 20)

0

0

(-10, -20, 20)移動至(-10, -40, 20)

0

0

(-10, -40, 20)移動至(-10, -60, 20)

1

0

(-10, -60, 20)移動至(-10, -80, 20)

1

1

(-10, -80, 20)移動至(-10, -100, 20)

0

0

(-20, 0, 40)移動至(-20, 20, 40)

0

0

(-20, 20, 40)移動至(-20, 40, 40)

0

0

(-20, 40, 40)移動至(-20, 60, 40)

0

0

(-20, 60, 40)移動至(-20, 80, 40)

0

0

(-20, 0, 40)移動至(-20, -20, 40)

0

1

(-20, -20, 40)移動至(-20, -40, 40)

0

0

(-20, -40, 40)移動至(-20, -60, 40)

1

0

(-20, -60, 40)移動至(-20, -80, 40)

1

0

(-30, 0, 60)移動至(-30, 20, 60)

0

0

(-30, 0, 60)移動至(-30, -20, 60)

0

0

5.2 未來工作

本研究已完成智慧型機器人輪椅之四軸史都華平台座椅機構原型及控制策略,未來工作將持續配合智慧型機器人輪椅之開發,完成各項測試與評估,敘述如下:

(1)       硬體功能測試

本研究已完成無負載狀況下之硬體功能測試,未來工作將持續測試、評估四軸史都華平台座椅機構是否可實際負荷成年人乘坐於座墊時的重量,並且順利操控座椅機構之座墊完成調整動作,確實到達所設定之位置,如沒有確實到達,紀錄距離的誤差值,並且檢視座墊在移動過程中是否發生不合理之狀態、座墊作動達到同步控制效果的達成度。

(2)       人因工程測試評估

功能測試完成後,將設計人因工程測試評估實驗,使用者實際操作四軸史都華平台座椅機構,檢視座椅調整功能是否能提供使用者所需之舒適性和轉位輔助,以及調整操作過程是否直覺、流暢,座椅移動過程是否造成使用者任何不舒適與不安全的感受等,進而檢視四軸史都華平台座椅機構與控制程式設計是否有需改良之部分。最後並將配合智慧型機器人輪椅之開發,在安養機構進行實地實驗(field test),評估高齡使用者實際使用狀況。

(3)       加入擾動控制

輪椅使用者長時間的坐於輪椅上,如坐姿在長時間下沒有變換,壓力會過於集中於臀部上固定部分,易產生不適感並且容易產生褥瘡。本研究開發之四軸史都華平台座椅機構,可在控制程式中再加入擾動控制之程式,使座墊會定時作不同模式擾動,來改變使用者臀部壓力,避免輪椅使用者因長時間坐於輪椅座椅而產生的不舒適感。